TÍNH TOÁN SỨC CẢN TÀU THỦY BẰNG PHƯƠNG PHÁP CFD, ỨNG DỤNG ĐỂ ĐƯA RA CÁC BIỆN PHÁP NHẰM GIẢM SỨC CẢN

/m

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

NGUYỄN VĂN CƢỜNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------------------------------LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nào khác.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguy n Văn Cƣờng

TÍNH TỐN SỨC CẢN
HV.TÀU
Nguyễn
THỦY
Văn Nhu
BẰNG PHƢƠNG PHÁP
CFD, ỨNG DỤNG ĐỂ ĐƢA RA CÁC BIỆN PHÁP NHẰM GIẢM
CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

SỨC CẢN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

KHĨA – 2013B
Hà Nội - 2016

1


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Nguy n Văn Cƣờng

TÍNH TỐN SỨC CẢN TÀU THỦY BẰNG PHƢƠNG PHÁP
CFD, ỨNG DỤNG ĐỂ ĐƢA RA CÁC BIỆN PHÁP NHẰM GIẢM
SỨC CẢN

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS.TS. LÊ QUANG

2

Hà Nội – Năm 2015


Lời cam đoan
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai cơng bố trong bất kỳ cơng

trình nào khác.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Văn Cƣờng

3


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Việc phân tích, đánh giá và hiểu rõ chuyển động của dòng chảy hay biến
thiên các thuộc tính nhƣ nhiệt độ, áp suất, vận tốc...của các vật thể chuyển động
trong môi trƣờng chất lỏng là rất quan trọng trong việc tính tốn, thiết kế tối ƣu các
sản phẩm để mang lại hiệu quả nhất. Có thể kể ra một vài ví dụ cụ thể nhƣ máy bay
chuyển động trong mơi trƣờng khí động, tàu thủy chuyển động trong mơi trƣờng
chất lỏng, dịng khí chuyển động trong hệ thống làm mát, dầu nhớt, hóa chất chuyển
động trong các ống dẫn hay bể chứa...Các thuộc tính của dịng chất lỏng có thể nhận
đƣợc từ kết quả thực nghiệm hay lời giải các hệ phƣơng trình toán học, tuy nhiên
hai phƣơng pháp trên chỉ áp dụng đƣợc trong các bài toán đơn giản, đối với các bài
tốn phức tạp thì gặp rất nhiều khó khăn. Sử dụng phƣơng pháp tính tốn động lực
học chất lỏng - CFD (Computational Fluid Dynamics) có thể giải quyết đƣợc các
bài tốn phức tạp, việc phân tích, tính tốn trở nên đơn giản và nhanh chóng hơn và
các kết quả nhận đƣợc có độ chính xác cao hơn.
Với cơng nghệ hiện đại, máy tính và các phần mềm chuyên dụng đã giúp con
ngƣời rất nhiều trong việc nghiên cứu ảnh hƣởng của dòng chảy tới vật thể chuyển
động trong chất lỏng và ngƣợc lại sự thay đổi hình dạng, kết cấu vật thể tác động
lên dịng chảy. Điều này cũng có ý nghĩa lớn trong việc nghiên cứu lực cản và giảm
lực cản tàu thủy trong quá trình vận hành nhằm mục đích giảm chi phí khai thác tàu,
góp phần tiết kiệm năng lƣợng nhiên liệu, giảm lƣợng khí thải. Ngày nay CFD đƣợc
kết hợp cả với thực nghiệm thuần túy và kết quả lời giải số, ba phƣơng pháp này hỗ

trợ bổ xung và là tiêu chuẩn đánh giá của nhau, trong đó cơng cụ mơ phỏng số CFD
có vai trị quan trọng trong việc quan sát và dự đốn các hiện tƣợng khí động lực
học phát sinh khi chạy tàu. Giúp chúng ta có thể đánh giá đƣợc các tác động lên
thân tàu mà thực nghiệm khó quan sát đƣợc.
Ứng dụng các công cụ mô phỏng số trong nghiên cứu giảm lực cản, nâng cao
hiệu quả khai thác vận tải tàu là một trong những vấn đề đã và đang đƣợc giải quyết

4


trƣớc những yêu cầu ngày một cao của thế giới. Từ những yêu cầu thực tiễn và thực
trạng hiện nay, với những yêu cầu đặt ra cho các nhà nghiên cứu để làm giảm tối đa
lực cản tác động lên tàu, góp phần nâng cao hiệu qua khai thác tàu. Tác giả thực
hiện đề tài tính tốn sức cản tàu thủy bằng phƣơng pháp CFD, ứng dụng để đƣa ra
các biện pháp nhằm giảm sức cản cho tàu thủy. Nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế sử
dụng, khai thác tàu.
2. Mục đích nghiên cứu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Trong luận văn này, tác giả thực hiện việc tính tốn sức cản tàu thủy bằng cơng
cụ CFD, ứng dụng phân tích kết quả để đƣa ra các biện pháp nhằm giảm sức cản
cho tàu. Mục đích nghiên cứu trong luận văn này nhằm:
-

Hiểu rõ đƣợc quy trình và trình tự các bƣớc trong việc sử dụng phƣơng pháp
tính tốn động lực học chất lỏng CFD thực hiện tính tốn mô phỏng lực cản
tác động lên thân tàu.

-

Ứng dụng công cụ mô phỏng số CFD, thực hiện mô phỏng lực cản tác động
lên thân tàu

-

Trên cơ sở phân tích kết quả nghiên cứu và tính tốn mơ phỏng số CFD với
mẫu tàu nguyên bản. Tác giả đƣa ra một số biện pháp nhằm làm giảm lực
cản tác động lên thân tàu, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế khai thác tàu.

Với thời gian và điều kiện trang thiết bị máy tính cấu hình cao có hạn, thời gian
tính tốn mô phỏng số CFD yêu cầu rất lớn. Trong luận văn này chỉ giới hạn phạm
vi nghiên cứu giảm lực cản khí động tức lực cản gió tác động lên tàu chở hàng
thơng qua sử dụng cơng cụ tính mơ phỏng số CFD.
Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn là mơ hình tàu chở hàng 3400 Tấn. Tác giả
đi nghiên cứu, khảo sát các đặc tính khí động lực học của phần thân tàu trên mặt
nƣớc thông qua mô phỏng số CFD. Từ việc phân tích các kết quả mơ phỏng số CFD
lực cản gió và các đặc tính khí động thân tàu, tác giả đƣa ra một số biện pháp cải
tiến nhằm làm giảm lực cản gió tác động lên tàu

5


3. Phƣơng pháp nghiên cứu trong luận văn
Trong luận văn này, tác giả sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu tính tốn lý
thuyết thuần túy kết hợp với mơ phỏng số CFD. Thông qua việc so sánh đánh giá
kết quả từ các nghiên cứu đã có sẵn, lý thuyết tính tốn theo các công thức kinh
nghiệm và kết quả mô phỏng số tác giả đƣa ra các tính tốn phù hợp có độ tin cậy
nhất trong điều kiện nghiên cứu hiện nay.
4. Tóm tắt cơ đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp của tác giả
Trong luận văn này, tác giả tập trung phân tích các phƣơng pháp, giải pháp làm
giảm lực cản tàu thuy. Bên cạnh đó, tác giả đi nghiên cứu các phƣơng pháp, công cụ
thực hiện nghiên cứu giảm lực cản hiện tại đang sử dụng. Từ đó tác giả đi nghiên

cứu tính tốn lực cản tàu thủy bằng phƣơng pháp sử dụng công cụ mô phỏng số
CFD. Thông qua việc sử dụng công cụ mô phỏng số, tác giả thực hiện khảo sát các
đặc tính khí động lực học tác dụng lên thân tàu hàng. Từ các phân tích kết quả, tác
giả đƣa ra một số giải pháp nhằm giảm lực cản gió tác động lên tàu.
Thông qua các kết quả về sử dụng CFD thực hiện tính tốn khảo sát lực cản gió
tác động lên tàu, các biện pháp nhằm giảm lực cản gió tác động lên tàu. Luận văn
này có thể sử dụng làm các tài liệu phục vụ cho việc nghiên cứu tính tốn lực cản
gió tác động lên tàu, sử dụng làm các tài liệu tra cứu về sự ảnh hƣởng của lực cản
gió đến q trình khai thác tàu và cũng là tài liệu tham khảo cho các nhà khai thác
sử dụng tàu trong khai thác tàu để có hiệu quả kinh tế nhất.

6


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN NGHI N CỨU

1.1.

Giới thiệu chung về sức cản tàu thủy
Chuyển động của tàu trên mặt nƣớc, trong nƣớc, bề mặt vỏ tàu phải tiếp xúc với

môi trƣờng bao quanh nó: mặt ƣớt vỏ tàu tiếp xúc với môi trƣờng nƣớc, phần trên
mớn nƣớc tiếp xúc với khơng khí, và bề mặt này chịu tác động của các lực do môi
trƣờng gây ra. Sức cản của tàu trong thực tế không thể xác định hoặc đo lƣờng một
cách trực tiếp, kiến thức về tính tốn sức cản của tàu thƣờng đƣợc thu thập và xây
dựng từ thử nghiệm trên các mơ hình tàu. Việc xác định sức cản của tàu trong mơi
trƣờng nƣớc tĩnh thƣờng phân tích trên các thành phần sức cản độc lập, sơ đồ các
thành phần sức cản nhƣ sau (bảng 1.1):
Bảg 1.1 Các thành phần sức cản [7]
Sức cản toàn bộ RT

Sức cản bổ sung
RA

Sức cản vỏ tàu
Sức cản nhớt RV
Sức cản ma sát Rf
Sức cản ma sát Rf

Sức cản sóng RW

Sức cản hình dáng RP

Sức cản sóng RW

Sức cản dƣ Rr

Sức cản ma sát RF: xuất hiện do ảnh hƣởng độ nhớt của chất lỏng gây ma sát vào
vỏ tàu. Sức cản ma sát chiếm phần lớn (80÷90%) sức cản nhớt và chiếm khoảng
50÷70% tổng sức cản tàu . Nếu hình dáng tàu càng trơn, dễ thốt nƣớc ảnh hƣởng
của của hình dáng thân tàu càng nhỏ thì sức cản nhớt hầu nhƣ hoàn toàn là sức cản
ma sát. Sức cản ma sát chịu ảnh hƣởng độ cong dọc và ngang thân tàu.
Sức cản hình dáng RV: sinh ra bởi ảnh hƣởng của lớp biên đối với quy luật phân bố
áp suất trên thân tàu, nó phụ thuộc vào các dạng tách lớp biên, mà hiện tƣợng này

7


lại ảnh hƣởng bởi hình dáng thân tàu. Nếu hình dáng thân tàu càng khó thốt nƣớc
thành phần sức cản này càng lớn.
Sức cản sóng Rw: Khi tàu chuyển động trên mặt thoáng của chất lỏng trọng lực sẽ

sinh ra sóng (sóng bản thân), sóng đó sinh ra sức cản sóng. Sức cản sóng càng lớn
khi vận tốc tàu càng lớn.
Sức cản toàn bộ của tàu đƣợc xác định là tổng của sức cản ma sát RF và sức cản dƣ
Rr và các thành phần sức cản bổ sung:
RT = RF + Rr + RA

(1.1)

1.2. Sự cần thiết trong việc giảm sức cản cho tàu
Nhƣ đã biết, chi phí nhiên liệu chiếm phần lớn trong tổng chi phí khai thác
của tàu. Lƣợng tiêu thụ nhiên liệu trên một phà cỡ lớn khoảng từ 1000 đến 5000
lít/giờ, lƣợng tiêu thụ dầu đốt trên tàu này có thể nói nhiều hơn lƣợng dầu dùng đển
sƣởi ấm trong cả năm cho một gia đình. Chi phí nhiên liệu cho một chiếc phà lớn
chạy liên tục 20 giờ/ngày trong một năm có thể lên đến hàng triệu đơla [9]. Ở nƣớc
ta, trung bình một chuyến biển (khoảng 30 ngày) của một tàu cá cỡ lớn (chiều dài
trên 24 mét) chi phí nhiên liệu (dầu đốt) khoảng từ vài chục đến hơn trăm triệu đồng,
con số trên là khá lớn so với khả năng kinh tế của ngƣ dân nƣớc ta hiện nay.
Do vậy, giảm một lƣợng nhỏ dù là một vài phần trăm tiêu thụ nhiên liệu trên
tàu cũng có ý nghĩa rất lớn trong vấn đề tiết kiệm chi phí vận hành khai thác của tàu
trong cả năm. Dƣới đây là một số yếu tố quan trọng nhất ảnh hƣởng đến mức tiêu
thụ trên tàu:
- Một số thơng số chính của tàu nhƣ: hình dạng vỏ tàu, khối lƣợng tàu, loại
động cơ, chân vịt…;
- Số lƣợng máy chính;
- Tốc độ tàu;
- Dịng chảy, sóng, gió (hƣớng và lực tác động);
- Mớn nƣớc của tàu (phụ thuộc vào lƣợng hàng hóa);

8

Một số biện pháp kỹ thuật đƣợc để đạt đƣợc hiệu quả trong việc giảm lƣợng
tiêu thụ nhiên liệu trên tàu (Hình 1.1):

Hình 1.1 Một số biện pháp giảm tiêu hao nhiên liệu cho tàu
Nhìn chung hầu hết các biện pháp đều tập trung vào việc giảm lực kéo nói
cách khác là giảm sức cản của tàu và một số biện pháp khác cố gắng cải thiện hiệu
quả của các thiết bị đẩy tàu và vận hành tàu.

1.3.

Một số phƣơng pháp giảm sức cản cho tàu
Khi tàu chạy, hầu nhƣ toàn bộ năng lƣợng sinh ra từ thiết bị đẩy tàu tiêu hao

cho sức cản tàu, mà chủ yếu là sức cản nhớt và sức cản sóng. Do vậy, việc nghiên
cứu giảm các thành phần sức cản trên có ý nghĩa lớn trong việc giảm tiêu hao nhiên
liệu từ đó giảm đƣợc chi phí vận hành tăng hiệu quả khai thác của tàu, giảm lƣợng
khí thải ra mơi trƣờng.
Việc nghiên cứu giảm sức cản tàu tập trung chủ yếu vào việc giảm sức cản
nhớt và sức cản sóng. Sức cản nhớt đóng vai trị chính trong tổng sức cản của tàu, ở
những vật chìm hồn tồn hầu nhƣ chỉ có sức cản nhớt. Vậy việc tìm các biện pháp
giảm sức cản nhớt là điều quan trọng. Đối với các vật thể dễ thoát nƣớc chú ý đến
9


việc giảm sức cản ma sát vì thành phần sức cản hình dáng khơng lớn. Cịn đối với
các vật thể khó thốt nƣớc phải giảm sức cản hình dáng. Để giảm sức cản nhớt phải
giảm độ nhám chung và độ nhám cục bộ, đặc biệt là độ nhám do việc quét sơn,
phòng chống rêu hà bám và độ ăn mòn, áp dụng các dạng tàu tránh hiện tƣợng tách
lớp biên. Một số biện pháp công nghệ giảm sức cản đang đƣợc nghiên cứu và áp

dụng hiện nay trên tàu nhƣ sau:
Làm sạch vỏ tàu, bánh lái, chân vịt: biện pháp này có thể áp dụng cho tất cả
các loại tàu bất kể kiểu loại, kích thƣớc và cơng dụng khai thác. Ngay sau khi xuất
xƣởng, vỏ tàu, bánh lái, chân vịt và các phần khác cần đƣợc giữ sạch. Tuy nhiên
theo thời gian, các bộ phận này sẽ bị bám bẩn do tảo, hàu và các loài khác làm cho
tàu khó khăn khi chạy ở tốc độ định trƣớc do gia tăng sức cản ma sát và làm tăng
lƣợng tiêu hao nhiên liệu. Việc làm sạch định kỳ sẽ cải thiện đƣợc tình trạng này,
nếu nhƣ khơng thể đƣa tàu lên triền đà hoặc vào ụ thƣờng xuyên, việc làm sạch
chân vịt bằng thợ lặn cũng tỏ ra có hiệu quả nhất định (hình 1.2).

Hình 1.2 Làm sạch vỏ tàu để giảm ma sát cho tàu
Sử dụng vật liệu phủ Polyme: bề mặt vỏ tàu đƣợc phun phủ một lớp mỏng
Polyme để giảm sức cản của tàu. Trong suốt ba thập kỷ qua rất nhiều bài báo trình
bày nghiên cứu về sử dụng Polyme trong việc sức cản tàu, các nghiên cứu chỉ ra
rằng các phân tử Polime bị kéo căng trong lớp biên rối bởi dòng chảy kết quả làm
tăng độ nhớt cục bộ đã làm giảm sức cản chung trên toàn bộ bề mặt vỏ tàu, những

10


nghiên cứu gần đây đã cho thấy các phân tử Polyme cịn có tác động vào sự phân bố
xốy trong dịng chảy từ đó làm giảm độ rối trong dịng chảy.
Bơi trơn bọt khí: phun bọt khí, tạo khoang khí và tạo lớp màng khí là ba
cách thức của phƣơng pháp bơi trơn bọt khí bằng cách phun khí tạo lớp phủ không
thấm nƣớc. Cả ba phƣơng pháp đều đã chứng mình là có khả năng giảm một lƣợng
sức cản cho tàu một cách hiệu quả. Hiệu quả giảm sức cản trong vấn đề này là công
suất đẩy tàu đã giảm nhiều hơn so với công suất của hệ thống cấp khí. Qua các thử
nghiệm phƣơng pháp này cho việc giảm sức cản đạt trên 5%, phƣơng pháp này rất
có tiềm năng trong việc giảm công suất của động cơ hoặc có thể nâng cao vận tốc
cho tàu với cơng suất khơng đổi. Sử dụng biện pháp tạo khoang khí phù hợp với các

tàu chạy với một tốc độ ít thay đổi, vì biện pháp này đạt hiệu quả cao nhất ở một
phạm vi vận tốc rất hẹp.
Cải tiến hình dáng tàu: Những tàu béo sức cản hình dáng sinh ra do hiện
tƣợng tách lớp biên ở phần đuôi tàu và thành phần sức cản này đóng vai trị chính
trong sức cản nhớt (hình 1.3). Để giảm bớt chiều dài phần tách biên ngƣời ta có thể
dùng cánh có dộ dang bé và đặt nó vng góc với vỏ bao phía trƣớc vùng dự kiến
tách lớp biên.

Hình 1.3 Cải tiến hình dáng thân tàu để giảm sự tách dịng
Dƣới đây là một số ví dụ trong việc cải tiến hình dạng tàu để giảm sự tạo
xốy sau đi tàu do hiện tƣợng tách lớp biên [8]:

11


Trƣớc

Sau
Hình 1.4 Cải tiến phần đỡ ống bao trục chân vịt

Hình 1.5 Cải tiến vây giảm lắc theo dạng sóng trên tàu

Hình 1.6 Cải tiến bánh lái theo dạng khí động học

12


Hình 1.7 Cải tiến hình dạng các tấm kẽm chống ăn mịn lắp trên tàu

Hình 1.8 Cải tiến phần gót ky

13


Giảm sức cản sóng: Sức cản sóng RW của tàu chủ yếu phụ thuộc vào số Fr và
hình dáng thân tàu. Việc giảm số Fr không phải là giảm sức cản sóng theo hƣớng
tích cực, tuy nhiên nhiều trƣờng hợp khi giảm số Fr có thể đạt ƣu thế về sức cản
sóng và đƣa chuyển động vào vùng tốc độ có lợi.

Hình 1.9 Ngun lý hệ thống đệm khí trên tàu
Việc thay đổi số Fr theo hƣớng có lợi khi giữ nguyên tốc độ chuyển động
bằng cách thay đổi chiều dài tàu. Việc giảm đột ngột hoặc triệt tiêu hoàn tồn sức
cản sóng khi đƣa chuyển động vào số Fr > 1.0, các chế độ này là chế độ nổi tĩnh
bằng chế độ lƣớt, hay nói cách khác là dùng tàu cánh ngầm hoặc tàu đệm khí.
Một cách khác để giảm sức cản sóng ta dùng thiết bị giao thoa: mũi quả lê:
Nguyên lý giảm sức cản sóng khi mũi tàu có dạng quả lê nhƣ sau (Hình 1.10):
Sóng sinh ra khi tàu chạy

Hình 1.10 Nguyên lý giảm sức cản sóng của mũi quả lê

14


Hiện nay chủ yếu là các tàu vận tải cỡ lớn nhƣ tàu hàng, tàu dầu… sử dụng
mũi quả lê, các tàu cá đa số là kích thƣớc nhỏ nên số lƣợng tàu cá lắp mũi quả lê là
rất ít, một số nƣớc có nghề ca phát triển nhƣ Nhật Bản, Hàn Quốc… đã sử dụng mũi
tàu quả lê trên tàu cá (hình 1.11):

Hình 1.11 Tàu cá mũi quả lê ở Nhật Bản

1.4.

Các vấn đề sẽ giải quyết trong luận văn
Trong luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu tính tốn lực cản gió tác

động lên tàu trong các trƣờng hợp khai thác tàu cụ thể: tàu đầy hàng và trƣờng hợp
tàu khơng hàng. Trong mỗi trƣờng hợp đó, tác giả đi tính tốn mơ phỏng các đặc
tính khí động lực học thân tàu khi thay đổi các yếu tố nhƣ góc hƣớng gió thay đổi,
thay đổi các chiều chìm, cân bằng dọc tàu trong các trạng thái khai thác tàu.
Từ các tính tốn đã thực hiện, tác giả thực hiện việc phân tích đánh giá, so
sánh các kết quả đã thu đƣợc. Trên cơ đó tác giả đƣa ra một số giải pháp, khuyến
cáo cho việc khai thác sử dụng tàu, cho các nhà thiết kế tôi ƣu tàu nhằm làm nâng
cao hiệu quả khai thác, sử dụng tàu ở nƣớc ta.

15


CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUT TÍNH TỐN LỰC CẢN

2.1.

Tính lực cản tác động lên tàu theo l thuyết
Trong thực tế, việc tính tốn lực cản theo lý thuyết đƣợc thực hiện theo công

thức kinh nghiệm sau:

1
RAA  C AA . .VA2 .S
2

(2.1)

Trong đó:
S là diện tích mặt hứng gió (m2)
 là khối lƣợng riêng khơng khí (Kg m3). Ở nhiệt độ t

150C, áp suất

p = 760 mmHg,   1, 226( Kg / m3 )

V A là vận tốc của luồng khơng khí bao quanh phần khơ của tàu. Phụ
thuộc vận tốc tàu V và vận tốc tuyệt đối của gió VB

nh 2.1. Sơ đồ phân tích lực tác động lên tàu và hướng gió

16


Khi khơng có gió: VA  V
Khi có gió:

VA  V 2  VB2  2VVB cos  2
sin(1  1 ) 

(2.2)

VB
sin  2
VA

Trong đó:
 2 là góc tạo bởi V và VB
1 là góc tạo bởi VA với mặt ph ng đối xứng của tàu. Khi tàu

chuyển động xi gió thì: 1  1800
1 là góc tạo bởi lực khí động RAA với mặt ph ng đối xứng của

tàu
Có thể xác định VA bằng máy đo gió. Cấp gió đƣợc phân thành 12 cấp gió opho
dựa theo kết quả của cục khí tƣợng thuỷ văn Liên Xơ.
Bảng 2.1 Vận tốc gió Bopho tại độ cao h = 6,0 m so với mặt nước biển [10]
Cấp gió

Vận tốc gió(m s)

Cấp gió

Vận tốc gió(m s)

0

0÷0,5

7

12,5÷15,2

1

0,6÷1,7

8

15,3÷18,2

2

1,8÷3,3

9

18,3÷21,5

3

3,4÷5,2

10

21,6÷25,1

4

5,3÷7,4

11

25,2÷29,0

5

7,5÷9,8

12

Trên 29,0

6

9,9÷12,4

17


Quy luật biến thiên vận tốc gió theo chiều cao là quy luật logarit. Tính
chuyển VB ghi trong bảng sang chiều cao khác 6m theo công thức sau:

VBh  VB 6

ln(500h)
ln(3000)

(2.3)

Bảng 2.2. Giá trị hệ số lực cản khơng khí CAA [10]
Kiểu tàu

CAA

Tàu dầu, container, tàu khách

0,5÷1,0

Các tàu cao tốc

0,4÷0,6

Tàu khách chạy sơng:
-

Với thƣợng tầng thơng thƣờng

0,8÷0,9

-

Với thƣợng tầng thốt khí

0,4÷0,5

Với tàu vận tải, tuỳ thuộc hình dáng phần khơ và vận tốc:
RAA = (0,015 Rx. Khi khơng có gió thì RAAthƣờng khơng lớn. Khi có gió và
ngƣợc gió cấp 4, cấp 5, trên các tàu vận tải: RAA = (0,10 Rx. 
Ở những tàu cao tốc RAA có trị số đáng kể ngay cả khi khơng có gió.
Hệ số lực cản bổ sung Cd (hoặc kE ), phụ thuộc điều kiện khai thác tàu: khí tƣợng
thủy văn, trạng thái bề mặt ngoài của phần thân tàu ngâm nƣớc…
Bảng 2.3 Giá trị hệ số bổ sung kE trong khai thác tàu biển [10]
oại tàu

Trọng tải DWG, t

Hệ số

E

Tàu hàng khô

≤7.000

1,2

Tàu hàng khô

>7.000

1,15

Tàu dầu

≤10.000

1,2

Tàu dầu

>10.000

1,15

Tàu khách

-

1,15

18

(Cd)


2.2.

Tính tốn lực cản tàu bằng phƣơng pháp CFD
Mơ phỏng số thực chất là làm thí nghiệm trên máy vi tính. ằng mơ hình và

phƣơng pháp mơ phỏng thích hợp sẽ cho ra kết quả giống với khi thực hiện trên mơ
hình trong phịng thí nghiệm. Việc mơ phỏng sẽ thực hiện chuyển hệ vật lý thành hệ
các phƣơng trình cơ bản và sau đó xác lập thành một mơ hình tốn học gồm hệ các
phƣơng trình xấp xỉ đƣợc giải trực tiếp hoặc bằng phƣơng pháp lặp, sau đó phân
tích sự hội tụ, tính chính xác và đánh giá sai số để xem xét tính hiệu quả của
phƣơng pháp số.
Trình tự thực hiện một bài tốn mơ phỏng CFD:
Xác định mơ h nh và xử lý mơ hình: Xác định mơ hình hóa, miền tính tốn và lựa
chọn phƣơng án rời rạc hóa miền tính tốn
Thiết lập các điều kiện, thuật toán đế giải bài toán: Lựa chọn thuật giải tích phân số
và chạy chƣơng trình, giám sát q trình thực hiện
Xử lý kết quả: Đánh giá kết quả và đề xuất các thay đổi liên quan đến mô hình
Các phƣơng pháp mơ phỏng:
RANS: Phƣơng pháp trung bình Reynolds Navier-Stokes
LES: Mơ phỏng xốy lớn

DES: Mơ phỏng tách xốy
DNS: Mơ phỏng số trực tiếp
CVS: Mô phỏng số rời rạc
Thƣờng sử dụng phƣơng pháp mơ phỏng RANS để tính tốn dịng chảy bao quanh
thân tàu cho mơ hình dịng hai pha.
Trong một dịng chảy liên tục, các biến số có thể đƣợc viết dƣới dạng tổng của giá
trị trung bình của biến số đó theo thời gian và giá trị dao động của biến số đó [5]:
(2.4)

Trong đó:

(2.5)
t là thời gian, T là thời gian trung bình, giá trị T phải đủ lớn để thể hiện đƣợc

19


sự dao động của biến số đang nghiên cứu.
Việc giải trực tiếp các phƣơng trình Navier-Stokes chỉ thực hiện đƣợc trong
những trƣờng hợp đơn giản với số Reynolds tƣơng đối thấp. Giải pháp thay thế là
chỉ quan tâm đến các đại lƣợng trung bình (vận tốc, áp suất, nhiệt độ, …) và các
phƣơng trình kiểm tra bởi các đại lƣợng này. Áp dụng thuật tốn trung bình chung
(RANS) cùng trung bình các phƣơng trình chuyển động trong đó các biến đƣợc tách
rời thành: trung bình + nhiễu động, cho phép tính dịng trung bình và các đại lƣợng
đặc trƣng rối (động năng rối k và tổn thất rối ε). Phần lớn tính tốn RANS đều sử
dụng mơ hình khép kín bậc 1 dạng k-ε.
Các mơ hình tốn:
Do đặc điểm hình dáng thân tàu nên trạng thái dòng chảy xung quanh tàu là
dịng chảy rối. Khi có rối xảy ra làm tăng khả năng tiêu hao năng lƣợng, sự trao đổi
nhiệt… Thơng thƣờng, việc mơ tả dịng rối thƣờng rất khó khăn bởi trong các

phƣơng trình đặc tả có chứa các đại lƣợng chƣa biết. Do đó, việc xây dựng các mơ
hình rối để nhằm xác định các đại lƣợng này. Phần mềm ANSYS FLUENT hỗ trợ
các mơ hình rối sau:
Mơ hình Splart-Allmaras:
Mơ hình này thể hiện độ nhớt rối (υ) trong vùng tƣờng rắn (wall), phƣơng
trình thể hiện mơ hình có dạng:

(2.6)
Mơ hình k-ε:
Mơ hình hóa các số hạng ứng suất Reynolds phi tuyến trong phƣơng trình
RANS sinh ra. Mơ hình k-ε gồm 03 loại đó là mơ hình k-ε chuẩn (Standard); mơ
hình k-ε thƣờng hóa (RNG), mơ hình k-ε giản hóa (Realizable), Cả ba mẫu này đều
tƣơng tự nhƣ nhau với những phƣơng trình cân bằng cho năng lƣợng rối động học k
và hệ số tổn thất ε.
Mơ hình k-ε sử dụng hai giả thiết chính: Dịng chảy rối hoàn toàn và bỏ qua
ảnh hƣởng của độ nhớt phân tử.

20


Theo giả thiết về độ nhớt rối của oussinesq, ta có:

(2.7)
Phƣơng trình trên thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất Reynolds với biến thiên vận
tốc trung bình. Để giải phƣơng trình này, ngƣời ta khép kín nó với các phƣơng trình
có liên quan tới k và ε nhƣ sau:

(2.8)
Trong đó: Gk là hằng số thể hiện sự phụ thuộc của sự hình thành năng lƣợng
rối động học (k) vào sự biến thiên của vận tốc trung bình nhƣ sau:

Gb đƣợc xác định nhƣ sau:

Prt: hằng số Prantld, β: hệ số giãn nở nhiệt môi trƣờng;
gi: thành phần gia tốc trọng trƣờng theo phƣơng i;
YM: Hệ số thể hiện sự biến thiên quá trình giãn nở so với giá trị trung bình:

Mt: số Mach:
a: vận tốc âm thanh , µt: hệ số nhớt rối

Các hệ số còn lại là các hằng số, có giá trị mặc định nhƣ sau:

21


Kết hợp các phƣơng trình trên với phƣơng trình liên tục và phƣơng trình
động lƣợng, ta đƣợc một hệ phƣơng trình khép kín để xác định trƣờng phân bố vận
tốc.
Mơ hình k-ε là mơ hình đơn giản có thể áp dụng với hầu hết các bài tốn
thơng thƣờng với độ chính xác tƣơng đối cao. Tuy nhiên, trong các trƣờng hợp đặc
biệt, khi tính chất dịng bị thay đổi mạnh nhƣ xuất hiện sóng va, trong buồng
cháy… việc áp dụng mơ hình này cho kết quả khơng tốt.
Mơ hình k-ω: đây là cũng là một mơ hình thƣờng đƣợc sử dụng trong mơ
phỏng bài tốn 2 pha, mơ hình này cho phép giải bài tốn với dịng sát bề mặt vật
thể và cho kết quả tính tốn chính xác với số Reynolds thấp. Mơ hình tính tốn k-ω
đƣợc chia ra thành hai dạng: dạng chuẩn và dạng SST (shear-stress transport). Mơ
hình dịng chảy rối k-ω dạng chuẩn tính tốn đến sự thay đổi từ hiệu ứng số
Reynold thấp, độ nén, và độ mở rộng sự trƣợt dòng chảy, với tỉ lệ mở rộng ngẫu
nhiên. Tỉ lệ trƣợt này có giá trị gần với giá trị đo cho các hiện tƣợng xẩy ra trên
cánh nhƣ: bƣớc nhảy sóng, sự trộn lẫn giữa các vùng. Với mơ hình tính tốn dạng

k-ω SST, mơ hình chảy rối đƣợc kết hợp chặt chẽ giữa mơ hình k-ω chuẩn tại gần
bề mặt và mơ hình k-ε ở phía xa bề mặt dịng chảy. Mơ hình này ban đƣợc giới
thiệu bởi Saffman sau đó đƣợc phát triển mở rộng bởi Wicox, phƣơng trình ω đƣợc
Wilcox đƣa ra nhƣ sau:

(2.9)
Trong mơ hình này độ nhớt rối µt đƣợc xác định:

Ngồi ra cịn một số mơ hình khác cũng đƣợc sử dụng nhƣ:
22


Mơ hình V2-f
Mơ h nh ứng suất Reynolds (RSM)
Mơ h nh xốy lớn (LES)
Có một thực tế là khơng có một mơ hình độc lập nào có thể biểu diễn hết các
tính chất của dịng chảy rối. Việc lựa chọn mơ hình rối sẽ phụ thuộc vào đặc điểm,
tính chất vật lý của dịng, mức độ u cầu chính xác, cơ sở tính tốn và thời gian
cần cho việc mơ phỏng… Để có đƣợc sự lựa chọn phù hợp nhất cho mẫu mơ hình,
cần hiểu rõ khả năng và giới hạn của những lựa chọn. Tuy nhiên không thể áp dụng
một mơ hình rối cho tất cả các bài tốn, mỗi mơ hình rối chỉ cho kết quả đúng trong
một số trƣờng hợp nhất định. Điều đó địi hỏi ta phải nắm rõ bản chất cũng nhƣ
trƣờng hợp áp dụng của chúng để đƣa ra những lựa chọn hợp lý cho từng bài tốn.
Nhƣ trên đã trình bày, đa số dòng chảy xung quanh thân tàu là dòng chảy rối.
Tất cả các mơ hình rối đều xuất phát từ hai phƣơng trình cơ bản là phƣơng trình bảo
tồn mơ men động lƣợng và phƣơng trình liên tục (phƣơng trình bảo tồn khối
lƣợng), nhƣ sau: Phƣơng trình bảo tồn viết trong hệ tọa độ Descartes:

(2.10)

Hay viết dƣới dạng:

(2.11)

Trong đó:
ρ: khối lƣợng riêng của chất lỏng
p: áp suất
ui, uj: các vận tốc tức thời (i,j

1,2,3 phụ thuộc mơ hình 2D, 3D)

23


FLUENT cung cấp 3 phƣơng thức giải khác nhau: Segregated, Coupled
implicit, Coupled explicit. Cả ba phƣơng thức giải đều cho phép tính tốn với dịng
bất kỳ. Tuy nhiên trong một số trƣờng hợp, việc chọn phƣơng thức giải hợp lý sẽ
cho kết quả chính xác hơn. Segregated giải phƣơng trình một cách tuần tự, trong khi
couple tiến hành giải một cách đồng thời. Implicit và explicit khác nhau ở cách
tuyến tính hố phƣơng trình để tiến hành giải. Thơng thƣờng Couple đƣợc sử dụng
cho các bài toán với lƣu chất ở vận tốc lớn và nén đƣợc. Couple cho kết quả nhanh
và chính xác hơn nhƣng cũng địi hỏi bộ nhớ lớn và cấu hình mạnh. Một số dạng bài
tốn chỉ có thể giải đƣợc bằng Segregated.

24


CHƢƠNG 3: Q TRÌNH TÍNH MƠ PHỎNG SỐ TÍNH ỰC CẢN GIĨ
TÁC DỘNG

3.1.

N TÀU THƠNG QUA SỬ DỤNG CFD

Mơ hình tàu sử dụng trong tính mơ phỏng CFD

Trong luận văn này, tác giả sử dụng mơ hình tàu hàng 3400 tấn làm đối
tƣợng nghiên cứu tính tốn mơ phỏng. Trên cơ sở tính tốn thiết kế tàu chở hàng
3400 tấn, trong phần này tác giả giới thiệu sơ bộ về các đặc điểm cơ bản của tàu.
Hình 3.1 thể hiện đƣờng hình dáng tàu hàng 3400 tấn đƣợc thiết kế. Các thơng số
kích thƣớc cơ bản của tàu đƣợc thể hiện trong bảng 3.1.

Hình 3.1. Đường hình dáng tàu hàng 3400T
Bảng 3.1: Các thông số cơ bản của tàu
Tên
Ký hiệu
Giá trị
Chiều dài thiết kế
Ltk
83.50
Chiều rộng thiết kế
B
14.50
Chiều cao mạn
H
7.100
Mớn nƣớc
T
5.600
Khoảng sƣờn lý thuyết

L
8.350
Khoảng sƣờn thực tế
a
500.0
Vận tốc thiết kế
V
14.50

25

Đơn vị
m
m
m
m
m
mm
m/s